L’objectif de cette étude est d’aboutir à une meilleure compréhension du comportement mécanique et des mécanismes d’endommagement par fatigue oligocyclique de l’acier martensitique T91 à 350°C en présence de l’eutectique Pb-Bi liquide. L’effet de la teneur en oxygène dissous dans le métal liquide, de la température d’essai, de la vitesse de déformation et d’un maintien en traction a été analysé.Un dispositif expérimental permettant la réalisation d’essais de fatigue oligocyclique avec contrôle de la déformation totale dans l’eutectique Pb-Bi liquide à bas taux d’oxygène (10-7 -10-9 % massique) dissous a été conçu spécialement pour ce travail.Toutes les durées de vie mesurées en présence de l’eutectique Pb-Bi sont systématiquement plus faibles que celles mesurées à l’air, notamment à déformation importante. La présence de l’eutectique Pb-Bi réduit la densité de fissures courtes et modifie le mode de propagation de la fissure longue. Un faciès de rupture fragile marqué de stries en milieu Pb-Bi remplace le faciès à stries ductiles observé à l’air. Dans notre étude, la diminution de la teneur moyenne en oxygène dans l’eutectique Pb-Bi a produit un effet tantôt neutre tantôt néfaste en raison de sa concentration locale supposée variable. Une vitesse de déformation faible est un facteur aggravant. Nous pensons que le glissement répété détruit en surface la couche d’oxyde natif permettant l’adsorption d’atomes Pb et/ou Bi sur les extrusions et intrusions. Les modèles basés sur la réduction locale de la contrainte de cisaillement et sur la réduction de la cohésion semblent rendre compte de l’effet de l’eutectique Pb-Bi sur la croissance des fissures surfaciques et en volume. / The goal of this study is a better understanding of the Low Cycle Fatigue (LCF) behaviour and of the fatigue damage mechanism of the martensitic T91 steel at 350°C and in liquid lead-bismuth eutectic (LBE). The effect of the dissolved oxygen content in the LBE, the LCF test temperature, the strain rate and a tension holding has been investigated.A specific set-up has been designed to perform strain controlled LCF tests in liquid LBE at low oxygen content (10-9 wt %).For all tested conditions, the LCF lifetime was reduced in presence of LBE in comparison with tests in air, especially at high strain range. The presence of LBE promoted a reduction of the density of short cracks and modified the fatigue propagation mode of long crack. In air, the fracture surface was covered with ductile fatigue striations while it was brittle in LBE. Furthermore, decreasing oxygen content in LBE either did not play any effect or resulted in a harmful effect because of the likely local variation of oxygen content. Moreover, a low strain rate appeared to be a critical factor.We suggest that the localized and alternative strain in the emerging slip bands destroys the protective native oxide layer allowing the adsorption of Pb and/or Bi atoms at the surface of the extrusions and the intrusions. Models based on the reduction of the shear stress and on the reduction of the cohesion seem to explain the LBE effect on the growth rate of both surface and bulk cracks.

Les aciers martensitiques Fe9Cr1MoNbV (acier T91) sont des bons candidats pour les composants des réacteurs nucléaires de Génération IV ou pour les réacteurs hybrides. Ces technologies employant des métaux liquides, la fragilisation par métal liquide est un problème pour l’intégrité des structures. Ce travail de thèse est une contribution à l’étude de la sensibilité de l’acier T91 en présence de l’eutectique Pb-Bi (LBE). L’approche, fortement expérimentale, a pour but de déterminer qualitativement et quantitativement les paramètres les plus pertinents pour déclencher la fragilisation. Une unité de purification de l’eutectique Pb-Bi a été conçue et construite au laboratoire pour retirer l’oxygène de l’eutectique Pb-Bi. Des essais mécaniques de type Small Punch Test, flexion 3 points et traction monotone ont pu être réalisés dans l’eutectique à faible teneur en oxygène dans une cellule d’essais à atmosphère contrôlée. L’acier T91, après avoir reçu son traitement thermique standard, s’est montré très sensible à la fragilisation par l’eutectique Pb-Bi à 300°C quand la vitesse de chargement était très faible aussi bien dans l’eutectique saturé ou appauvri en oxygène. Il s’avère que la vitesse de sollicitation est le facteur clé et la teneur en oxygène un facteur accélérateur de la fragilisation. Le mécanisme de fragilisation par l’eutectique Pb-Bi repose sur une diminution de l’énergie de surface et une diminution des forces de cohésions suite à l’adsorption des atomes Pb et Bi en fond de fissure. Une vitesse de déformation lente favorise la séquence oxydation-rupture du film d’oxyde qui se produit périodiquement au cours de la déformation. / Martensitic T91 steel is designated to constitute structural material for both Generation IV nuclear reactors and the high temperature components of future accelerator driven system (ADS) which employ liquid metals. The liquid LBE embrittlement of is one of the critical issues for the compatibility between the structural material T91 steel and the liquid metal. This thesis research has estimated the embrittlement sensitivity of T91 steel in liquid LBE qualitatively and quantitatively. A specific unit of LBE purification has been manufactured to remove oxygen from LBE. Special setup of Small Punch Test, three-point bending test and tensile test, have been developed in the laboratory to perform mechanical tests in low oxygen LBE inside an environmentally controlled atmosphere cell. T91 steel is a ductile material even when stressed in LBE but there exists a set of conditions which results in ductile to brittle transition. T91 steel has appeared very sensitive to liquid LBE embrittlement at 300°C when it very slowly loaded as well in oxygen saturated LBE as in low oxygen LBE even in the standard heat treatment. In addition, low oxygen content in LBE accelerates this brittle damage. Surface defects play a role when their size is of the order of a few grain sizes. The fracture toughness for T91 steel in liquid LBE can be just half of that in air. The mechanism of liquid LBE embrittlement of T91 is based on the reduction of both the values of interatomic bonds cohesive strength and of surface energy. Straining very slowly the material is supposed to favour oxidation-oxide film rupture sequences which allows real adsorption at crack tip and then propagation of brittle crack.

Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l'introduction d'une étape préliminaire d'exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l'interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d'exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l'acier par le sodium est bon. L'utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l'oxygène joue un rôle primordial dans l'amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l'existence d'une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L'étude de cette transition suggère qu'une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d'orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l'acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l'acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d'une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d'activation d'environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l'acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d'une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration.

Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l’introduction d’une étape préliminaire d’exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l’interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d’exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l’acier par le sodium est bon. L’utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l’oxygène joue un rôle primordial dans l’amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l’existence d’une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L’étude de cette transition suggère qu’une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d’orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l’acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l’acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d’une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d’activation d’environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l’acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d’une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration. / We studied the sensitivity of T91 steel to embrittlement by liquid sodium. An experimental procedure was set up to proceed to mechanical testing in sodium under an inert atmosphere. The introduction of a liquid sodium pre-exposure step prior to mechanical testing enabled the study of both the wettability of T91 by sodium and the structure of the sodium steel/interface as a function of the exposure parameters. The mechanical properties of T91 steel are significantly reduced in liquid sodium provided the wetting conditions are good. The use of varying oxygen and hydrogen concentrations suggests that oxygen plays a major role in enhancing the wettability of T91. The sensitivity of the embrittlement to strain rate and temperature was characterized. These results showed the existence of a ductile to brittle transition depending on both parameters. Its characterization suggests that a diffusion step is the limiting rate phenomenon of this embrittlement case. TEM and EBSD analysis of arrested cracks enabled us to establish that the fracture mode is interlath or intergranular. This characteristic is coherent with the crack path commonly reported in liquid metal embrittlement. A similar procedure was applied to the unalloyed XC10 steel. The results show a behavior which is similar to the one of T91 steel and suggest a common mechanism for liquid sodium embrittlement of body centered cubic steels. Moreover, they confirm that the ductile to brittle transition seems associated with a limited crack propagation rate. The propagation is thermally activated with activation energy of about 50 kJ/mol. Finally, it was shown that 304L austenitic steel is sensitive to liquid sodium embrittlement as well. Some fracture surfaces testify of an intergranular fracture mode, but some questions still remain about the crack path.

L'objectif de cette thèse est de produire une avancée dans la compréhension du phénomène de fragilisation par les métaux liquide (FML), en nous appuyant sur l'étude expérimentale et numérique du couple cuivre/mercure. La fragilisation du cuivre pur OFHC (Oxygen Free High Conductivity) par le mercure liquide est mise en évidence et quantifiée par des mesures de ténacité. En outre, un procédé d'ingénierie des joints de grains est appliqué afin d'augmenter de façon importante la proportion de joints de grains spéciaux Σ3 dans le cuivre. Des essais de FML sont alors réalisés et permettent d'établir le rôle de ces joints de grains dans la fragilisation du cuivre par le mercure liquide. En parallèle, des modélisations de joints de grains spéciaux Σ3 et Σ5 sont réalisées par calcul basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ces modélisations permettent à la fois de mettre en évidence une réduction des propriétés mécaniques de ces joints de grains en présence d'atomes de mercure, ainsi que de comprendre l'immunité des joints Σ3 observée expérimentalement. Cependant, ces modélisations ne permettent pas de rendre compte quantitativement des observations expérimentales. Pour améliorer cette description atomique de la FML, une contribution non locale est ajoutée, via l'utilisation d'un modèle de zone cohésive nourri par calcul DFT. Il est montré que le confinement du métal liquide en extrême pointe de fissure engendre une force normale aux parois de la fissure (l'origine physique de cette force est discutée), et que l'introduction de cette nouvelle composante permet de rendre compte des observations expérimentales de façon beaucoup plus quantitative. Ce dernier modèle est appuyé par la réalisation d'expériences de FML sous pression hydrostatique. / The aim of this thesis is to make an advance in the liquid metal embrittlement (LME) understanding, based on the experimental and numerical studies of the copper/mercury system. OFHC (Oxygen Free High Conductivity) copper embrittlement by liquid mercury is studied and quantified by toughness measures. Moreover, grain boundary engineering (GBE) is implemented in order to increase the proportion of special Σ3 grain boundaries. LME tests are performed and allow to establish the particular behaviour of the Σ3 grain boundaries in the copper embrittlement by liquid mercury. At the same time, modelling of special Σ3 and Σ5 grain boundaries based on density functional theory are performed. This allows to show the weakening of mechanical properties of both grain boundaries containing mercury atoms, and also to understand the immunity of Σ3 grain boundaries as observed experimentally. However, experimental observations can not been qualitatively explained by these modelling. In order to improve this description, a non-local contribution is introduced by means of a cohesive zone model. It is shown that the confinement of the liquid metal at the very crack tip produces a force normal to the surface of the solid (the origin of this force is discussed), and that the consideration of this force allows to describe more accurately experimental results. This model is supported by LME experiments under hydrostatic pressure.

L'acier martensitique à 9% de chrome Z10CDNbV9-1 est pressenti pour constituer le matériau de structure des futurs réacteurs hybrides ADS où il sera notamment soumis au contact du plomb ou du plomb-bismuth liquides. Cette étude présente une évaluation de la plage de risques encourus par l'acier vis à vis du phénomène de fragilisation par les métaux liquides. Si, après son élaboration, l'acier ne semble présenter aucun signe de fragilisation par les métaux liquides, une combinaison particulière d'effets microstructuraux et de conditions d'essais montrent que l'acier habituellement ductile peut subir une fragilisation brutale et se comporter comme un matériau fragile en présence de métal liquide. Le mécanisme impliqué dans cette fragilisation se base sur le phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel. L'interprétation de la fragilisation mise ici en évidence s'appuie sur la théorie de la rupture fragile dans les matériaux ductiles et sur les notions définies couramment en mécanique de la rupture.

Cette thèse s'est déroulée dans le cadre d'une réflexion sur la fragilisation par les métaux liquides, un des phénomènes pouvant limiter la durée de vie de la cible de spallation dans les réacteurs hybrides qui représentent une des solutions possibles pour le traitement des déchets nucléaires et qui sont étudiés dans le cadre du groupement de recherche GEDEPEON (GEstion des Déchets Et Production d'Energie par des Options Nouvelles).<br />L'objectif de cette étude a été d'identifier le mécanisme contrôlant l'endommagement intergranulaire du cuivre placé en contact avec le bismuth liquide. Des analyses fractographiques par microscopie électronique à balayage, spectroscopie d'électrons Auger, spectroscopie de photoélectrons et rétrodiffusion Rutherford ont ainsi été effectuées sur des polycristaux et un bicristal de cuivre (joint de flexion symétrique de désorientation 50° autour de <100>) afin de caractériser les deux paramètres suivants :<br />(i) la cinétique de pénétration intergranulaire et<br />(ii) la concentration intergranulaire en bismuth obtenue après pénétration.<br />Les résultats présentés (cinétique parabolique et concentration intergranulaire en bismuth inférieure à deux monocouches équivalentes) nous permettent de conclure que c'est la diffusion intergranulaire des atomes de bismuth qui contrôle la pénétration intergranulaire du cuivre par le bismuth liquide entre 300 et 600°C. De plus, nous pouvons ainsi conclure à l'absence de mouillage intergranulaire parfait dans ce système et aux températures considérées.

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains.

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains. / The aim of this work is to study liquid metal embrittlement (LME) on the T91/Pb-Bi and 316L/Pb-Bi systems. A particular attention is paid to obtain a better understanding of the mechanisms of fracture when steels are in contact with liquid metal. This work has been performed within the European projects MEGAPIE-TEST and EUROTRANS which aim to prove the feasibility of lead-bismuth nuclear systems such as spallation target and subcritical reactors. The effect of liquid Lead Bismuth Eutectic (LBE) on 316L and T91 steels has been studied in plane stress conditions as a function of temperature and strain rate, using a CCT geometry adapted for the study of crack propagation. The presence of LBE modifies the fracture mechanism of T91 and prevents fracture by growth and coalescence of cavities. Cracking proceeds by shear band decohesion. This embrittlement effect is very pronounced at low deformation rate whereas at the high strain rate range investigated, a brittle to ductile transition is observed. The temperature variation of the transition rules out LME mechanisms based on dissolution. A fracture mechanics analysis by the J-µa methodology allowed the quantification of the embrittlement degree which is estimated to 30% reduction in the energy required for crack propagation. The mechanical properties of the 316L steel are weakly affected by the presence of LBE, in spite of a change in the plastic deformation at the highest triaxiality point which strongly affecting fracture surfaces. The mechanism of this embrittlement seems to be based on the deformation localization at the crack tip combined with the phenomenon of surface energy reduction induced by the liquid metal adsorption. It does not involve any diffusion process. The deformation localization is confirmed by an electron microscopy study of the crack tip plasticity of 316L under the influence of a liquid metal.